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1、三分贝定向耦合器摘要：3dB定向耦合器是通信、广播电视系统中重要的器件之一，本文介 绍了描述定向耦合器的性能指标参数，详细介绍了3dB定向耦合器的基本 结构及特性。Abstract3曲 coupler is one of the important components in communication and broadcasting system. In this paper, the specifications of directional coupler are presented,and the basic structures and properties of 3dB coup
2、ler are presented in detail.1. 引言在广播电视和通信系统中，经常需要耦合部分的射频功率，以满足各 种需要。定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系 统的正向波中按一定比例分出部分功率，实现功率的分支、分配或合成。 三分贝耦合器是一种特殊的定向耦合器，它广泛应用于功率合成，恒阻滤 波器和多工器等系统中。下面介绍定向耦合器的性能参数，并详细介绍三 分贝耦合器的特性。2. 定向耦合器的基本参数定向耦合器可等效成四端口网络。它的基本工作原理借助图1来描述。图1定向耦合器原理自端口1入射的功率中部分功率从直通端口2输出，另外一部分被耦合 到端口3,在理想情况
3、下，没有功率送到隔离端口4。描述定向耦合器性能的参数主要有耦合度、隔离度、方向性、插入衰 减、输入驻波比、频带宽度等。其中耦合度表征了耦合的强弱。理想的定 向耦合器端口驻波比为1，即端口没有反射；隔离度为无穷大，即隔离端 没有输出功率。设定向耦合器输入端的输入功率为，主线输出端（简称为直通端）的输 出功率为，耦合输出端（简称为耦合端）的输出功率为，隔离端的输出功 率为，则定向耦合器的有关参数的定义如下。耦合度C：输入功率与耦合端的输出功率之比，一般用分贝表示，即pE|C = 101g* = 101g L = 201g丁（也）上式中P1/P3称为功率耦合系数。设E1为主线输入端电压，E3为耦 合
4、端电压，s31表示波由主线输入端到耦合端的传输系数。因p1p3，故耦合度大于等于零分贝。C表征耦合的强弱，当p1 一定 时，P3越大，C越小。故零分贝、3分贝定向耦合器为强定向耦合器；20分 贝、30分贝定向耦合器为弱定向耦合器。分贝值越大，表明耦合越弱。隔离度D :输入功率与隔离端的输出功率P之比，P4一般用分贝表示， 即2pE1。二01g=01g =201gP4Eq$4】E4为隔离端电压，s41表示波由主线输入端到隔离端的传输系数。方向性：耦合端的输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比，一般用分贝表示，即), = ioig-L=n-c插入衰减：输入功率P1与直通端的输出功率p2之比，一般用
5、分贝表示，即 = ioigA = ioigE2为直通端输出电压，S21表示波由输入端到直通端的传输系数。输入端驻波比：其余三端口均接匹配负载时输入端口的驻波比，即P =1-岛|S”为输入端在其它各端口均接匹配负载情况下的反射系数，在实际中 要求各端口的驻波比尽可能接近1。频带宽度：耦合度、隔离度、输入驻波比等参数均满足要求时定向耦 合器的工作频带宽度。通常要求工作频带越宽越好。3. 定向耦合器的网络分析定向耦合器的散射矩阵为:a)设 则构成正向定向耦合器，有Si2 =爬：|zS|3 -翰代入上式可得结论：(3)(2)端口输出功率之和等于(1)端口的输入功率，两输出端口的输出电压波相位差为如，因
6、此M正向定向耦合器的散射矩阵为:S3 =b)设 则构成反向定向耦合器，有代入上式可得结论：(4)(2)端口输出功率之和等于(1)端口的输入功率，两输出端口的输出 电压波相位差为，因此？反向定向耦合器的散射矩阵为:4. 平行耦合线定向耦合器是TEM波传输线定向耦合器的一种主要形式，主要有耦合带状线和耦合 微带线构成，具有反向耦合器的特点。单节1/4平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器的基本工作原理平行耦合线定向耦合器通常采用“奇偶模法”分析。结构对称，散射矩阵为：当偶模和奇模电压分别同时在（1）（3）端口激励时，上图所示元件就简化为下图所示的完全相同的两个双端口元件。平行耦合线定向耦合器偶模
7、和奇模激励等效电路由/与，参数的关系可得S,由b=Sa可求得b,又中心频率上可 得互易、无耗、对称、完全匹配的平行耦合线定向耦合器在中心频率上的 散射参数矩阵为：其中称为中心频率的电压耦合系数。结论：i. 不论耦合区电角度-为何值，要获得理想匹配与隔离，必须满足。ii. 耦合输出电压b3与直通端输出电压b2都是频率的函数，并且无论频率如何变化，耦合输出端电压b3的相位总是比直通输出端电压b2的相位 超前，在中心频率上，耦合输出达最大。iii. 平行耦合线定向耦合器的耦合度C为5. 分支定向(口)耦合器a)结构：是3dB方向耦合器，直通端和耦合端口有口伊相位差，又称分支线混合 接头，由主线、副线
8、及若干耦合分支线组成，分支线长度及其间距均等于 四分之一中心相波长。一种微带双分支定向耦合器的结构如下图示，分支线与主线、副线是 并联的，各段线的特性均用归一化特性导纳表示，其中端口(1)(4)的传输线 的归一化特性导纳为打广丫4=1，端口 (2)(3 )的传输线的归一化特性导纳为Y&=Yw=，R称为变阻比，R=Zm。使用这类定向耦合器可同时起到两个作用：定向耦合作用和阻抗变换 作用。因此该耦合器又称为“阻抗变换定向耦合器”或“变阻定向耦合器”。b）理论分析:易知该耦合器的散射矩阵为:Apo假定信号由端口（1）经A点输入，则由图易知A丁口，同时也有故端口（4）为隔离端。同理故端口（3）为耦合端。分支定向耦合器可等效为一个四端口网络，通常运用奇模、偶模的概 念及叠加原理，将定向耦合器沿其对称平面一分为二，变成两个二端口网 络。
